Ультрафильтрация и микрофильтрация

Ультрафильтрация – баромембранный способ разделения жидкостей, занимающий промежуточное положение между микрофильтрацией и нанофильтрацией. Для нанофильтрации и ультрафильтрации есть некоторые общие характеристики. В обоих процессах силы гидростатического давления заставляют проходить через мембрану растворитель, задерживая растворенное вещество по другую сторону. Для описания массопереноса используют одинаковые уравнения: когда присутствует разность осмотических давлений – уравнение в соответствии с законом Вант-Гоффа для осмотического давления разбавленных растворов; когда осмотическое давление настолько мало, что не влияет на процесс – для вычисления потока растворителя через мембрану – гидродинамическое уравнение в соответствии с законом Дарси и различными моделями пор мембраны (Хагена-Пуазейля, Козени-Кармана).

Вместе с тем, принято рассматривать ультрафильтрацию как процесс наиболее близкий к микрофильтрации. Это связано, в первую очередь, с тем, что мембраны являются типичными пористыми перегородками. Наличие пор определяет как технологические особенности процесса, так и его область применения. На основе размеров пор ультрафильтрация легко поддается классификации и находит свое место среди мембранных процессов.

Мембраны, используемые для осветления, имеют поры, видимые в электронный микроскоп. Под действием конвекции вода перемещается внутри пор, увлекая с собой растворенные вещества и частицы, размеры которых меньше размеров пор (ситовый эффект).

Все органические ультрафильтрационные мембраны относятся к асимметричному типу, тогда как минеральные УФ-мембраны имеют композитную структуру. Они свободно пропускают соли и задерживают лишь наиболее крупные растворенные формы (макромолекулы) и некоторые частицы, такие как вирусы, бактерии, коллоиды и другие. Минеральные УФ-мембраны могут быть изготовлены из стекла, керамики либо металла.

Ультрафильтрационные мембраны обычно характеризуются порогом отсечения – размером молекул наименьшей молярной массы, задерживаемых (отсекаемых) мембраной более чем на 90%. Известны промышленные мембраны с порогом отсечения от 2·103 до 4·105 Дa.

Этот показатель носит чисто информативный характер, поскольку многие производители указывают порог отсечения относительно макромолекул, имеющих большой разброс по молярным массам, к тому же пространственная конфигурация молекул одного и того же сложного белка значительно изменяется в зависимости от солесодержания и велинины рН раствора. Наконец, степень задержания загрязнений очень сильно зависит от режима эксплуатации оборудования. Заявляемая удельная производительность ультрафильтрационных мембран для чистой воды составляет от 0,05 до 0,5 м3 /(м2·ч) при давлении 1 бар. В присутствии отделяемых растворенных форм для ультрафильтрационных мембран, имеющих относительно невысокий порог отсечения (50000 Дa), эта производительность значительно уменьшается вследствие концентрационной поляризаци, к которой в присутствии коллоидов добавляется забивание мембраны.

В обработке вод наиболее часто применяются более крупнопористые мембраны с порогом отсечения около 105 Да, что соответствует порам размером 0,03 – 0,01 мкм, задерживающим лишь немногие макромолекулы (это обеспечивает снижение на 10-20% цветности воды, содержащей гуминовые кислоты). Роль этих мембран, в первую очередь, заключается в устранении всех взвешенных в воде веществ. В данном случае на новой мембране не возникает эффект, связанный с достижением предельной производительности, однако вместо этого начинает оказывать действие явление забивания мембраны, и именно оно становится определяющим для ее работы. При постоянных концентрации и давлении это явление проявляется в постепенном уменьшении потока фильтрата (вплоть до полного блокирования мембраны) по мере увеличения продолжительности ее работы. Забивание является результатом образования осадка коллоидных частиц на поверхности мембраны, а также связано с адсорбцией в порах мембраны различных растворенных форм. Первый из этих процессов полностью обратим с помощью обратной промывки – операции, состоящей в промывке мембраны фильтратом в направлении, обратном направлению фильтрации, в целях удаления скопившегося осадка. Однако, даже у мембран, обладающих достаточной гидрофильностью, не всегда полностью восстанавливается исходная производительность, и после определенного количества рабочих циклов постепенно наступает необратимое забивание мембраны. В таком случае обычно производят более эффективную химическую промывку.

Установки очистки воды с капиллярными мембранными элементами (ультрафильтрационными, микрофильтрационными, мембранными биореакторами) могут использоваться как самостоятельно для получения осветленной воды, так и в качестве предподготовки для последующих ступеней очистки (обратный осмос, ионный обмен, электродеионизация и т.д.).

Ультрафильтрационные элементы HYDRAcap  позволяют снизить содержание взвешенных веществ, органики, полностью удалить бактерии и вирусы. Размер пор волокон в элементах HYDRAcap составляет 20 нм, материал волокон – полиэфирсульфон (PES).  Во время фильтроцикла вода проникает изнутри мембранного волокна наружу, в то время как механические, органические и микробиологические загрязнения остаются на внутренних стенках волокон. Через определенные промежутки времени проводятся обратные промывки чистой водой для удаления загрязнений из модулей, таким образом обеспечивается длительный срок службы элементов до замены. Ультрафильтрация обеспечивает абсолютный барьер для различных видов загрязнений, исключая техническую возможность их случайного попадания в продукт. Качество фильтрата практически не зависит от содержания загрязнений в исходной воде. Полная автоматизация процесса исключает риск ошибок оператора.

Технология ультрафильтрации HYDRAcap MAX® по принципу действия схожа с HYDRAcap®, однако обладает несколькими важными отличиями: волокна изготовлены из поливинилиденфторида (PVDF), поток воды при фильтрации движется снаружи внутрь, вместо обратных промывок водой используются воздушные чистки. Мембранные волокна в модулях HYDRAcap MAX® имеют размер пор 0,1 мкм, то есть в 5 раз больше, чем волокна в модулях HYDRAcap®, однако мутность фильтрата в обоих случаях как правило мало отличается и соответствет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.  Материал волокна PVDF более механически прочен, а также стоек к кислотам, щелочам и окислителям, чем PES. Направление потока фильтрации снаружи-внутрь позволяет увеличить нагрузку по взвешенным веществам и БПК, а использование внешней поверхности волокна позволяет увеличить удельную площадь мембраны на единицу объема модуля и таким образом сэкономить площадь, необходимую для размещения установки. Использование воздушных чисток вместо обратных промывок водой позволяет снизить расход воды на собственные нужды с 10-20 % до 2-8 %.

Если сравнивать технологии HYDRAcap® и HYDRAcap MAX®  с точки зрения практического применения, то можно сказать, что ультрафильтрация более эффективна в случаях, когда содержание взвешенных веществ и органики в исходной воде сравнительно небольшое, а также требуется высокая степень очистки воды от органических соединений, бактерий, вирусов. Примером такого применения может служить получение питьевой воды из скважины. Технология HYDRAcap MAX® предпочтительней, когда речь идет о сильнозагрязненной воде, либо о воде с большими сезонными колебаниями показателей мутности и ХПК. HYDRAcap MAX® также рекомендуется использовать как предподготовку к обратному осмосу. В таблице показаны предпочтительные области применения для каждой технологии.